復(fù)雜結(jié)構(gòu)石英纖維/含硅芳炔天線罩RTM 成型研究

李 昕, 皋利利, 曾照勇, 鄧詩峰, 俞玉澄

(1.上海無線電設(shè)備研究所,上海201109;2.華東理工大學(xué),上海200237)

0 引言

天線罩是導(dǎo)彈上集電氣性能、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、氣動性能等要求為一體的重要部件[1]。導(dǎo)彈飛行速度的提高,對天線罩耐高溫性能也不斷提高,傳統(tǒng)的酚醛、雙馬、聚酰亞胺樹脂復(fù)合材料耐溫一般不超過500℃,已逐漸不能滿足高速飛行導(dǎo)彈天線罩的應(yīng)用需求[2-3]。

含硅芳炔樹脂是一種新型的耐高溫樹脂,具有優(yōu)良的介電性能、機(jī)械性能和高溫陶瓷化性能[4]。石英纖維增強(qiáng)含硅芳炔樹脂復(fù)合材料耐溫達(dá)到500℃以上,可滿足3 Ma～5 Ma導(dǎo)彈飛行條件要求,在導(dǎo)彈天線罩上有重要的應(yīng)用價值。

導(dǎo)彈天線罩性能指標(biāo)要求高,需對其尺寸精度和成型質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格控制。樹脂傳遞模塑工藝技術(shù)(RTM)可以較好地滿足罩體壁厚和材料均勻性的控制要求,已成為高性能天線罩制造的一個重要發(fā)展方向[5-6]。本文針對某型導(dǎo)彈天線罩研制需求,采用石英纖維增強(qiáng)含硅芳炔樹脂復(fù)合材料,開展了天線罩模具設(shè)計,成型工藝優(yōu)化、缺陷控制等技術(shù)研究,并對制備的天線罩進(jìn)行了測試分析。

1 成型模具設(shè)計

成型模具是影響天線罩尺寸精度的關(guān)鍵,也是影響天線罩內(nèi)在質(zhì)量的關(guān)鍵因素,RTM成型模具的結(jié)構(gòu)、注膠/出膠方式、輪廓精度等直接影響了產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。

1.1 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

研制的含硅芳炔樹脂復(fù)合材料天線罩尺寸為φ320×700 mm,主體厚度為(1.5±0.1)mm,根部110 mm區(qū)域內(nèi)由1.5 mm逐漸變厚至10.2 mm。天線罩尺寸較大,如采用整體式模具,不僅模具加工難度大,而且成型后天線罩難以脫模,因此采用如圖1所示的分體式模具,陽模為整體加工,陰模由蓋板、上陰模和下陰模三部分組合而成,不僅易于加工,而且可沿上下陰模分界面拆下,脫模方便。

圖1 天線罩成型模具設(shè)計圖

1.2 注膠方式設(shè)計

傳統(tǒng)注膠方式為天線罩根部或頂部注膠,另一端出膠,對于大尺寸天線罩的成型,這種注膠方式樹脂的流動路徑長,容易出現(xiàn)因樹脂粘度變化導(dǎo)致無法充分浸透纖維的缺陷。針對該問題,采用天線罩中部注膠、根部與頂部出膠的方式,如圖2所示,相對于傳統(tǒng)注膠方式,樹脂流動距離減少一半,注膠時間由5.2 h縮短至3.5 h,保證了成型質(zhì)量。

圖2 天線罩成型模具熱變形分析

1.3 模具輪廓設(shè)計與補(bǔ)償

成型模具采用45#鋼,由于成型過程中模具受熱會產(chǎn)生熱膨脹,采用ANSYS仿真軟件對RTM成型過程中模具的變形量進(jìn)行了仿真分析,如圖2所示,確定模具各部位的具體熱膨脹量,并根據(jù)仿真數(shù)據(jù)對模具型面坐標(biāo)進(jìn)行修正,保證成型后天線罩的尺寸精度。

2 成型工藝研究

對RTM成型過程進(jìn)行嚴(yán)格控制,選用優(yōu)化的工藝參數(shù),是保證復(fù)合材料天線罩質(zhì)量成型的關(guān)鍵。

2.1 成型過程控制

經(jīng)研究,確定的含硅芳炔樹脂復(fù)合材料天線罩RTM成型工藝流程：模具預(yù)處理→增強(qiáng)體套?！夏！郎亍⒛z→固化→脫模及修邊。

為保證天線罩各部位均勻性與整體強(qiáng)度,在套模過程中各層增強(qiáng)體的邊縫錯位排布,并在套模后采用纖維線對增強(qiáng)體進(jìn)行整體縫合,縫合間距為10 mm×10 mm。

為保證成型質(zhì)量,樹脂注膠需在管道真空度＜40 mm Hg情況下進(jìn)行,進(jìn)膠5 min后,開始加壓注膠,當(dāng)模具出料口流出樹脂后,繼續(xù)注射15 min使得樹脂充分浸潤纖維,然后停止注膠。

2.2 成型工藝參數(shù)優(yōu)化

注膠溫度和注膠壓力是RTM成型的關(guān)鍵工藝參數(shù),選擇合適的成型工藝參數(shù)對保證產(chǎn)品成型質(zhì)量有重要的作用[7]。

(1)注膠溫度

注膠溫度取決于樹脂體系的活性期和達(dá)到最低粘度的溫度,需根據(jù)含硅芳炔樹脂的粘度-溫度進(jìn)行選擇,如圖3所示。

圖3 含硅芳炔樹脂粘度-溫度曲線

從圖3可以看出,含硅芳炔樹脂的粘度隨著溫度的升高而減少,但溫度越高,含硅芳炔樹脂的工藝窗口時間越短,在120℃時工藝窗口僅為3.5 h,在110℃可達(dá)5 h。從含硅芳炔的粘度-溫度和粘度-時間兩方面特性進(jìn)行綜合考慮,RTM成型的最佳注膠溫度為110℃。

(2)注膠壓力

在不同注膠壓力下成型的含硅芳炔樹脂復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度的性能如圖4所示,在注膠壓力為0.5 MPa時,復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度最高。分析表明,當(dāng)注膠壓力低于0.5 MPa時,氣泡難以充分排除,且注膠時間長,影響制品性能;當(dāng)注膠壓力高于0.5 MPa時,纖維束之間的宏觀流動和纖維絲之間的微觀流動不一致,產(chǎn)生的空隙較多,制品的機(jī)械性能下降;當(dāng)注膠壓力為0.5 MPa時,成型時樹脂均勻流動,形成的空隙率小,纖維浸潤均勻,復(fù)合材料力學(xué)性能較高,因此最優(yōu)注膠壓力為0.5 MPa。

圖4 樹脂注膠壓力與復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度的關(guān)系

3 天線罩成型缺陷控制

研制的含硅芳炔樹脂復(fù)合材料天線罩成型的主要難點為頂部和根部的成型,頂部曲率大,成型和脫模困難,而根部為變厚度結(jié)構(gòu),由1.5 mm逐漸變厚至10.2 mm,厚度上的大尺度變化對成型提出了較大難度,變厚度區(qū)域容易出現(xiàn)成型缺陷,需要對增強(qiáng)體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

3.1 增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)初步方案

針對變厚度天線罩用纖維增強(qiáng)體的設(shè)計,若采用整體仿形結(jié)構(gòu),雖然整體均勻性較好,但制備難度大、成本高,不利于批量化制備,因此需要針對不同的部位設(shè)計合適的增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)。

天線罩主體等厚度區(qū)域壁厚為1.5 mm,為保證強(qiáng)度、均勻性等要求,選擇機(jī)織2/2斜紋結(jié)構(gòu)單元套織物,紗線規(guī)格為72Tex,單層厚度為0.2 mm,共8層;在根部變厚區(qū)域,在單元套織物第1層和第2層之間增加2.5D編織淺交直聯(lián)結(jié)構(gòu)整體增強(qiáng)體,紗線規(guī)格為480Tex,高度為110 mm,厚度從0.4 mm逐步變化至8.8 mm,從而實現(xiàn)根部變厚度。

3.2 頂部成型缺陷控制

成型試驗發(fā)現(xiàn)天線罩頂部存在頂部塌陷、孔洞等缺陷,如圖5所示,影響了外觀質(zhì)量和性能。

圖5 天線罩頂部成型缺陷

分析表明,該缺陷是由于2D單元套織物存在兩條邊縫,套模后邊縫修剪使頂部位置紗線疏松,成型過程中在樹脂流動作用下容易導(dǎo)致纖維散開,從而形成缺陷。針對該問題,在增強(qiáng)體第1層和第2層之間填充整體編織無縫2.5D封頂織物,采用72Tex紗線,高度為20 mm,通過縫合使封頂織物與單元套織物成為整體,提高封頂區(qū)域的仿形精度,減少封頂處存在低密度區(qū)的質(zhì)量缺陷。

3.3 根部成型缺陷控制

成型試驗發(fā)現(xiàn)天線罩根部存在明顯的溝槽等缺陷,如圖6所示,對天線罩強(qiáng)度帶來不利的影響。

圖6 天線罩根部出現(xiàn)的溝槽缺陷

分析表明,由于根部采用了由0.4 mm變厚至8.8 mm的2.5D編織整體增厚層,層間變化量為0.4 mm,厚度漸變梯度大,增強(qiáng)體織物邊縫存在纖維含量低等問題,從而形成缺陷。針對該缺陷,采取措施如下：將增厚層紗線規(guī)格由480Tex減少為190Tex,層間厚度由0.4 mm減小至0.2 mm;增厚層優(yōu)化為兩層疊合結(jié)構(gòu),每層厚度為4.4 mm,減少梯度變化;套模時將兩層增厚層的邊縫90°錯位均布,減小接縫處的纖維體積分?jǐn)?shù)變化。

3.4 成型優(yōu)化效果

通過增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)優(yōu)化,研制的含硅芳炔樹脂復(fù)合材料天線罩實物如圖7所示。天線罩表面光滑、樹脂含量均勻,不存在明顯的缺膠、富膠、溝槽、空洞等缺陷,滿足成型質(zhì)量要求。

圖7 優(yōu)化后制備的含硅芳炔樹脂復(fù)合材料天線罩

4 天線罩檢測分析

對研制的天線罩進(jìn)行了CT檢測和壁厚測試,分析內(nèi)部成型質(zhì)量和成型精度。

4.1 CT檢測

采用高分辨率CT對含硅芳炔樹脂復(fù)合材料天線罩各部位進(jìn)行微納米CT三維掃描,分辨率為51μm,將采集到的圖像經(jīng)過重建,獲得三維CT結(jié)果,并進(jìn)行可視化分析,頂部的CT檢測結(jié)果如圖8所示。CT檢測表明,天線罩內(nèi)部材料均勻,無明顯缺陷。

圖8 天線罩頂部CT檢測視圖

4.2 壁厚測試

對制備的含硅芳炔樹脂復(fù)合材料天線罩采用機(jī)械三坐標(biāo)儀進(jìn)行法向壁厚測試,每隔90°測試1條母線,測試步長為50 mm,測試結(jié)果如圖9所示。從圖中可以看出,各部位的厚度均在1.42 mm～1.56 mm之間,滿足(1.5±0.1)mm壁厚精度要求,且在同一圓周上各母線的壁厚差小于0.1 mm,表明制備的天線罩各部位厚度均勻。

圖9 天線罩壁厚測量曲線

5 結(jié)論

本文針對含硅芳炔樹脂復(fù)合材料天線罩成型的需求,采用RTM成型工藝,開展了模具設(shè)計、工藝優(yōu)化和缺陷控制等研究,實現(xiàn)了大尺寸、薄壁變厚度復(fù)合材料天線罩的高精度成型,檢測表明研制的天線罩成型質(zhì)量與壁厚均勻性滿足要求。